时变流场在时间尺度上通常表现为非定常特性,在同一测量点的流体速度具有大范围的时变特性。时变流场的精确测量对飞行器的气动特性分析以及汽车的动力学研究具有重要理论意义和应用价值。粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)由于其具有非接触、无干扰、瞬态、全场测量等优点被广泛应用于各类流场速度的测量。传统PIV测量技术相邻两帧图像时间间隔固定,无法满足时变流场的实时精确测量。本文针对传统PIV测量技术的局限性,提出一种RTA-PIV(Real-Time Adaptive Particle Image Velocity)测量技术,并基于此研制一套RTA-PIV装置,通过实验验证了RTA-PIV测量技术的可行性和准确性。本文的具体研究工作如下:(1)针对目前PIV测量技术中视觉装置时间间隔固定,无法实现时变流场精确测量的问题,本文基于二分光技术研制出纳秒级跨帧超高速分幅视觉成像装置.通过控制图像传感器与激光器之间的时序关系,实现相邻两帧图像时间间隔可调,提高时变流场测量的测量精度及动态范围。该分幅视觉成像装置分辨率最大可达2048×2048pixels,帧率最高可达100fps,时间间隔在10ns至5ms范围可调。(2)针对图像传感器自有噪声影响图像质量从而影响流场速度测量精度的问题,本文通过采用数字域相关双采样、暗参考帧与暗参考列减除、平场校正以及水冷散热等方式将图像信噪比提升至19.61,利用图像传感器的双增益通道实现双增益图像融合,将图像的动态范围提升至85.5dB,为流场速度场计算提供高质量图像。(3)针对目前PIV测量技术中图像处理计算实时性不足的问题,研制出基于FPGA(Field Programmable Gate Array)+2 DSP(Digital Signal Processor)分布式处理器架构的实时超高速图像处理装置,并进行固件设计,实现了图像预处理、流场速度估计以及下一帧最优时间间隔的计算。该装置传输带宽最高可达12.5Gbps,图像处理频率最高可达50Hz。(4)针对传统PIV算法的局限性,本文提出RTA-PIV测量算法。利用相关滤波进行流场速度场的估计,利用卡尔曼预测模型对下一帧图像进行速度预测从而选择最优时间间隔,提高时变流场速度测量的测量精度,在仿真流场和真实流场实验中,该算法测量值与理论值的相对误差小于1%。